La permeazione e i suoi effetti sul materiale di confezionamento

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Permeazione: Passaggio di gas o vapore attraverso un materiale di confezionamento.

IMPATTO DELLA PERMEAZIONE



La data limite di vendita è il periodo di tempo assegnato ai cibi, ai medicinali, ai prodotti chimici e ad altri generi deperibili, superata la quale essi sono considerati non adatti alla vendita, all'utilizzo o al consumo. La permeazione influenza la data limite di vendita di questi prodotti perché la perdita o l’arricchimento di ossigeno, di vapor acqueo, di anidride carbonica, degli aromi e delle fragranze possono influenzare negativamente il sapore, il colore, la consistenza, il gusto e i valori nutritivi. L'ossigeno, per esempio, causa reazioni negative in molti cibi come le patatine. Misurando la velocità alla quale l'O2 penetra attraverso il materiale di confezionamento, è possibile determinare la data limite di vendita o il periodo di tempo in cui la confezione è ancora in grado di garantire la qualità del prodotto.

Le misurazioni della permeazione sono fondamentali per individuare il punto ottimale dell'imballaggio. Questo punto ottimale è definito dall'intersezione fra il marketing reale, la protezione del prodotto e i costi. Combinando tutte e tre le aree, è possibile sviluppare un imballaggio funzionale, vantaggioso in termini di costi, e in grado di garantire il raggiungimento della data limite di vendita. Spesso, il segmento riguardante la protezione del prodotto è spesso trascurato e ciò può avere un impatto significativo sugli altri segmenti, ed in particolare sui costi.

La confezione protegge il contenuto sia dalle possibili aggressioni fisiche e chimiche. Mentre la protezione del prodotto da danni fisici è un elemento sempre presente, è necessario anche considerare la protezione chimica. La contaminazione microbiologica, l'ossidazione, la rancidezza, la perdita di umidità, la degradazione dei componenti, la perdita o la modifica del sapore e la perdita di carbonatazione sono solo alcuni esempi dei danni chimici che possono verificarsi in assenza della adeguata protezione fornita dalla confezione. Le misurazioni della permeazione sono fondamentali per determinare l’appropriato imballo che permetta di minimizzare o controllare questi problemi.

La conoscenza della velocità di permeazione dei materiali di confezionamento nella parte iniziale del processo di sviluppo dell'imballaggio contribuisce ad evitare la realizzazione sia di confezionamenti insufficienti che di confezionamenti eccessivi. Entrambe le possibilità possono risultare alla fine particolarmente costose e, nella maggior parte dei casi, possono essere evitate utilizzando un adeguato protocollo di prova. Un confezionamento insufficiente (barriere inadeguate, spessori non adatti, scelta del materiale sbagliato, ecc.) permette la trasmissione di alcuni composti ad una velocità che causa la degradazione del prodotto prima del raggiungimento della data limite di vendita desiderata. Le ripercussioni che possono essere generate da un confezionamento insufficiente variano dai reclami, alla resa del prodotto fino alle garanzie annullate, che possono anche causare delle azioni legali.
FIGURA 1b. Il progetto dell’imballo deve considerare l’impatto ambientale
FIGURA 1b. Il progetto dell’imballo deve considerare l’impatto ambientale
Il confezionamento eccessivo non provoca azioni legali ma può causare un significativo spreco di denaro e di risorse materiali. Molto spesso, la mancata conoscenza del prodotto porta il produttore ad utilizzare il miglior imballaggio disponibile all'interno di un determinato budget, così da evitare un confezionamento insufficiente. Se si effettua un adeguato programma di controllo prima di lanciare i prodotti sul mercato, è possibile risparmiare una significativa quantità di denaro evitando un costoso confezionamento eccessivo. Inoltre, quando il prodotto è venduto con successo, è spesso impossibile cambiare un qualsiasi elemento legato al design della confezione, per paura di perdere quote di mercato. In entrambi i casi, la giusta progettazione dell'imballaggio ha potenzialmente un grande impatto sull'ambiente. Come illustrato nella figura 1b., il confezionamento eccessivo ha come conseguenza un utilizzo eccessivo di materiale e, quindi, un impatto negativo sull'ambiente. Il confezionamento insufficiente provoca rese del prodotto che a loro volta causano un aumento dei rifiuti, che generano un impatto negativo sull'ambiente.

MATERIALI BARRIERA



Le conoscenze e il livello di sviluppo nel settore del confezionamento con polimeri barriera sono aumentate rapidamente perché da imballaggi di tipo a barriera totale come, per esempio, le lattine e le bottiglie di vetro si è passati a sistemi di imballaggio permeabili. Il 1983 è stato caratterizzato dalla comparsa sugli scaffali dei supermercati americani di una bottiglia di plastica coestrusa e multistrato per ketchup. Da allora, le aziende hanno lavorato con febbrile velocità alla strategia di confezionamento. La competizione è considerevole e la qualità del prodotto e il design dell'imballaggio possono rivelarsi elementi chiave per il successo sul mercato.

I responsabili delle decisioni devono valutare una varietà in continuo aumento di resine, materiali, configurazioni dell'imballaggio e tecnologie. Per la produzione di imballaggi, i livelli di barriera dei materiali vanno, al giorno d'oggi, dai materiali ultrabarriera usati nell'industria elettronica ai materiali traspiranti, perforati, ad alta trasmissione. Oltre ai materiali standard come il polietilene, il PET e l’EVOH prendono piede nuovi prodotti come per esempio il PGA e i polimeri a cristalli liquidi.

UTILIZZO DEI DATI DI PERMEAZIONE NEL PROCESSO DI SVILUPPO DELL'IMBALLAGGIO



Illustriamo di seguito il metodo consigliato per determinare il segmento di protezione del prodotto in relazione al punto ottimale dell'imballaggio.


Identificazione dei requisiti del prodotto

È necessario comprendere come sviluppare le caratteristiche dell'imballaggio. Non solo è necessario specificare il valore massimo di degradazione ammesso per il prodotto, ma devono anche essere individuati i fattori che portano alla degradazione. Pur non essendo di facile determinazione, i requisiti del prodotto sono informazioni chiave nello sviluppo di un imballaggio di successo. Mentre l'ingresso e/o l’uscita di ossigeno e di vapor acqueo sono considerati normalmente, è necessario prendere in considerazione anche altri gas quali l'anidride carbonica, gli aromi e le fragranze.

Identificazione dei possibili materiali

Poiché sono disponibili, per il confezionamento, moltissimi nuovi materiali e resine barriera, è spesso difficile confrontare i dati di permeazione ottenuti dalle schede informative dei produttori dei materiali. È possibile quindi mettere in pratica un programma dettagliato per il controllo dei materiali che consenta di selezionare il miglior materiale barriera per una determinata applicazione. Si può iniziare controllando la velocità di trasmissione dei materiali candidati sia per confermare i dati del fornitore, sia per restringere il campo dei candidati e creare così le configurazioni finali degli imballaggi. Gli imballaggi possono essere testati per determinare il livello complessivo di barriera.

Determinazione del sistema ottimale

I requisiti del prodotto e i materiali candidati sono poi combinati per determinare la data limite di vendita ottenibile in un materiale specifico o per determinare quale materiale sia in grado di garantire una determinata data limite di vendita. Si eseguono poi gli studi sull'immagazzinamento o la data limite di vendita per confermare le prestazioni dell'imballaggio.

COS'È LA PERMEAZIONE?



La diffusione colloidale di Graham illustra il processo a tre fasi di permeazione attraverso un materiale. Nella prima fase il permeante viene assorbito dal materiale. Poi, il permeante si diffonde attraverso il materiale e nella fase finale il permeante esce dall'altro lato. L'intero processo è guidato da una differenza o gradiente di concentrazione. Le molecole passano dal lato dove la loro concentrazione è maggiore al lato con concentrazione minore. Questo processo continua fino a quando entrambi i lati si avrà lo stesso livello di concentrazione. La misurazione della permeazione è in genere un concetto semplice. Tuttavia, la terminologia che riguarda la permeazione e la sua misurazione è usata spesso in modo non corretto. La velocità di permeazione e la velocità di trasmissione sono usate in modo intercambiabile, ma, in realtà sono proprietà diverse.
La velocità con cui il permeante si diffonde attraverso un materiale in un'area specifica è valutata per ottenere la velocità di trasmissione. L'unità della velocità di trasmissione ha come fattori il volume di permeante, l’area ed il tempo. Alcuni esempi di unità della velocità di trasmissione sono:

COS'È LA PERMEAZIONE?

La velocità di trasmissione è una misurazione specifica del materiale effettivamente testato, del permeante e delle condizioni ambientali quali la temperatura e l'umidità relativa (UR).

Per calcoli generici la velocità di permeazione viene calcolata a partire dai dati della velocità di trasmissione misurati. Per la determinazione dalla velocità di permeazione si devono considerare lo spessore del materiale e il gradiente di concentrazione del permeante. La velocità di permeazione fornisce molti dati sulle proprietà del materiale perché può essere utilizzata per ogni spessore o concentrazione del permeante. Per ottenere la velocità di permeazione, è necessario moltiplicare i risultati della velocità di trasmissione per lo spessore del materiale testato e dividere il risultato per il gradiente di pressione parziale del permeante. Ovviamente sono disponibili degli strumenti in grado di calcolare automaticamente la velocità di permeazione e fornirla come valore di output. Alcuni esempi di unità della velocità di permeazione sono:

COS'È LA PERMEAZIONE?

Le unità di misura dello spessore, dell'area e della pressione possono passare dal sistema SI a quello metrico e viceversa.

TECNICHE DI MISURAZIONE



Una le tecniche più comuni per misurare la velocità di trasmissione di un film consiste nel fare fluire su un lato del materiale il permeante (gas di prova) mentre sull'altro lato si fa fluire un gas di trasporto. Il prodotto da testare è collocato in una cella di diffusione e la divide in due camere. La camera interna viene alimentata con azoto che si utilizza come gas di trasporto mentre la camera esterna viene alimentata con il permeante. Le molecole del permeante si diffondono attraverso il film all'interno della camera e sono trasportate al sensore dal gas di trasporto. Un computer controlla l'aumento delle molecole di vapor acqueo o della concentrazione delle molecole di gas test nel gas di trasporto e riporta tale valore come velocità di trasmissione (FIGURE 2a e 2b). Questo processo è perfettamente illustrato dalle unità di misura nella formula della velocità di trasmissione sopra descritta; quantità di permeante per unità di area per il tempo. Sebbene le dimensioni del campione siano solo di 50 cm2, il valore della misura è
FIGURA 2a. Rappresentazione schematica di una prova per la determinazione della velocità di trasmissione dell'ossigeno
FIGURA 2a. Rappresentazione schematica di una prova per la determinazione della velocità di trasmissione dell'ossigeno
Una le tecniche più comuni per misurare la velocità di trasmissione di un film consiste nel fare fluire su un lato del materiale il permeante (gas di prova) mentre sull'altro lato si fa fluire un gas di trasporto. Il prodotto da testare è collocato in una cella di diffusione e la divide in due camere. La camera interna viene alimentata con azoto che si utilizza come gas di trasporto mentre la camera esterna viene alimentata con il permeante. Le molecole del permeante si diffondono attraverso il film all'interno della camera e sono trasportate al sensore dal gas di trasporto. Un computer controlla l'aumento delle molecole di vapor acqueo o della concentrazione delle molecole di gas test nel gas di trasporto e riporta tale valore come velocità di trasmissione (FIGURE 2a e 2b). Questo processo è perfettamente illustrato dalle unità di misura nella formula della velocità di trasmissione sopra descritta; quantità di permeante per unità di area per il tempo. Sebbene le dimensioni del campione siano solo di 50 cm2, il valore della misura è normalizzato a 1 m2 o a 100 in2 in relazione al sistema di misura utilizzato. Per analizzare la concentrazione del gas test presente nella corrente di gas di trasporto si utilizzano divesi tipi di sensori specifici per ogni permeante. Diversi livelli di barriera richiedono per essere correttamente misurati diverse sensibilità e diverse precisioni, pertanto per una corretta misurazione si possono utilizzare diversi tipi di sensori.
FIGURA 2b. Rappresentazione schematica di una prova per la determinazione della velocità di trasmissione del vapor acqueo
FIGURA 2b. Rappresentazione schematica di una prova per la determinazione della velocità di trasmissione del vapor acqueo
FIGURA 3a. Schema di una prova per la determinazione della velocità di trasmissione dell'ossigeno eseguita sull’imballo finito
FIGURA 3a. Schema di una prova per la determinazione della velocità di trasmissione dell'ossigeno eseguita sull’imballo finito

I dati della velocità di trasmissione ottenuti dalle analisi su campioni piani sono estremamente utili per le valutazioni iniziali del materiale, per la ricerca e lo sviluppo oltre che per la classificazione di potenziali materiali per un determinato tipo di imballaggio. Nonostante ciò è molto utile testare l’imballo nella sua forma finale. La verifica della velocità di trasmissione degli imballaggi nella loro forma finale fornisce una visione delle sollecitazioni che hanno luogo durante il processo di confezionamento. Un controllo dell'imballo finito è particolarmente raccomandato per la previsione della data limite di vendita.

Le prove per determinazione della velocità di trasmissione in un imballo finito (FIGURA 3a) sono condotte nelle stesse condizioni impiegate per le misurazioni di un film. Il gas di prova è alimentato all'interno o all'esterno dell'imballaggio mentre il gas di trasporto è alimentato sul lato opposto. In genere, il gas di prova è alimentato all'interno e il gas di trasporto all'esterno ed è necessario un volume di cattura (FIGURA 3b). Poiché lo spessore può variare su tutto l'imballaggio e può risultare difficile calcolare l'area reale, le unità di misura nella espressione della velocità di trasmissione per l’imballo finito sono:

TECNICHE DI MISURAZIONE

FIGURA 4. Grafico della misurazione della velocità di trasmissione rispetto al tempo
FIGURA 4. Grafico della misurazione della velocità di trasmissione rispetto al tempo

Il test per la determinazione della velocità di trasmissione non fornisce un risultato istantaneo, in quanto è un test dinamico. Quando il test è iniziato, c'è un periodo di transizione prima di raggiungere l'equilibrio (FIGURA 4). Il tempo necessario per il raggiungimento dell'equilibrio, varia in base al materiale, al permeante e alla temperatura. Per barriere eccellenti sono necessarie settimane prima di raggiungere l'equilibrio, mentre per i materiali ad alta trasmissione sono sufficienti solo un paio d'ore.

FATTORI IMPORTANTI NELLA MISURAZIONE DELLA PERMEAZIONE



Il gradiente di concentrazione è l'elemento principale nella permeazione, anche altri fattori però giocano un ruolo importante. La temperatura ha un grande effetto sulle velocità di permeazione perché la velocità di permeazione aumenta del 5 - 7% per °C (FIGURA 5). Un corretto controllo della temperatura e una misurazione accurata sono fondamentali per ottenere risultati precisi. Bisogna prestare particolare attenzione alle variazioni di temperatura durante le prove sugli imballi finiti, in quanto molto spesso sono testati in aria ambiente e in molti laboratori la temperatura ambiente può fluttuare di molti gradi nelle 24 ore.

FIGURA 5. Effetto della temperatura sulla velocità di permeazione
FIGURA 5. Effetto della temperatura sulla velocità di permeazione
Bisogna prestare particolare attenzione alle variazioni di temperatura durante le prove sugli imballi finiti, in quanto molto spesso sono testati in aria ambiente e in molti laboratori la temperatura ambiente può fluttuare di molti gradi nelle 24 ore.

Anche l'umidità relativa (UR) può influenzare i risultati della permeazione. Ovviamente quando si misura WVTR (velocità di trasmissione del vapor acqueo), sono fondamentali la gene-razione, il controllo e il monitoraggio dell'UR perché il vapore acqueo si utilizza come gas di prova. Tuttavia, la presenza di umidità può a sua volta influenzare fortemente le velocità di permeazione dell'ossigeno e di altri gas in alcuni materiali. Nella figura 6 sono rappre-sentati gli effetti dell'umidità su OTR (velocità di trasmissione dell'ossigeno) di alcuni materiali importanti usati nell'industria del confeziona-mento. La generazione corretta ed il controllo adeguato dell'UR durante un test per OTR forniscono un'indicazione precisa del compor-tamento reale del materiale in tali condizioni.

Altri fattori da considerare quando si testano le velocità di trasmissione sono la variazione dello spessore del film, il tempo per l'equilibrio, la pressione atmosferica e la corretta generazione del gas di prova.

FIGURA 6. Effetti dell'UR sulla velocità di trasmissione dell'ossigeno di EVOH.
FIGURA 6. Effetti dell'UR sulla velocità di trasmissione dell'ossigeno di EVOH.

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